Сахарный диабет (СД) – это достаточно большая группа метаболических заболеваний (по современной классификации существуют 4 основных вида СД), которые характеризуются хронической гипергликемией, которая возникает в результате нарушения секреции или функции инсулина или того и другого вместе [1]. Хроническая гипергликемия по ходу течения СД, как правило, сопровождается выраженным повреждением, дисфункцией и недостаточностью различных органов и тканей, а именно развитием микро- (диабетические ретинопатии, нефропатии и невропатии) и макрососудистых (сердечно-сосудистые нарушения) осложнений [2].
Следует отметить, что в патогенезе всех сосудистых осложнений СД участвуют в основном одни и те же механизмы. Одним из основных является повреждение эндотелия с развитием эндотелиальной дисфункции (ЭД) [3, с.126]. Современными доклиническими и клиническими исследованиями показано, что ЭД повсеместно присутствует у пациентов с СД 1 и СД 2 типов на разных этапах заболевания (включая и диабетические осложнения), а также в экспериментальных моделях СД [4].Считается, что ЭД - это достаточно ранний и надёжный предиктор микро- и макрососудистых осложнений, связанных с СД [4]. Причиной ЭД долгое время считалась сама эндотелиальная клетка (ЭК), точнее ее функциональное нарушение, несмотря на тот факт, что еще в 50-х годах прошлого века на поверхности ЭК уже было обнаружено некое «однородное нечеткое покрытие», которому в то время исследователи не придали особого значения [5]. Это образование, состоящее из гликопротеинов, протеогликанов и гликозаминогликанов и являющееся интегральной частью эндотелия, со временем получило название «гликокаликс» и на сегодняшний день является предметом для актуальных исследований и дискуссий [6].
Согласно современным представлениям, эндотелиальный гликокаликс (ЭГ) представляет собой гелеобразный надмембранный комплекс, состоящий из многих компонентов, среди основных выделяют: протеогликаны, гликопротеины, белки, связанные с поверхностью эндотелия или располагающиеся относительно свободно в надклеточном пространстве между мембраной ЭК и жидкой частью крови [6]. Показано, что основополагающими компонентами ЭГ являются именно гликопротеины с остатками сиаловой кислоты на концах и протеогликаны с боковыми цепями гликозаминогликанов (ГАГ) [7]. ГАГ, которые были обнаружены на поверхности ЭК, включают: гепарансульфат (ГС), хондроитинсульфат (ХС) и гиалуроновую кислоту (ГК) [7]. На данный момент хорошо известно, что два семейства молекул клеточной поверхности – синдеканы (СИН) и глипиканы (ГЛИ) – составляют основной белковый скелет ЭГ [7]. ЭГ представляет собой достаточно хрупкую структуру, которая легко повреждается при многочисленных воспалительных и ишемических повреждениях, что приводит к дисфункциям эндотелия, характеризующимся повышенной проницаемостью сосудов, нарушенной вазодилатацией, усиленными взаимодействиями «лейкоцит - эндотелий», тромбозом и воспалением сосудов [8]. Достаточно давно было отмечено, что уплотнение ЭГ, появление циркулирующих в плазме крови ГС, ГК или хондроитина служат специфическими маркерами повреждения ЭГ [9]. Некоторые исследователи называют это «линькой», «слущиванием» ЭГ или «слущивающим стрессом» (shear-stress) [9].
Цель работы – провести анализ современной научной литературы, описывающей повреждение ЭГ при СД; выявить маркеры повреждения ЭГ, которые будут наиболее информативными для ранней диагностики диабетических осложнений.
Материалы и методы – поиск научной информации проводили в отечественной (E-Library) и зарубежных базах данных (PubMed, Scopus, Oxford University Press, Springer, Web of Science Core Collection).
Особенности деструкции гликокаликса при сахарном диабете
Несмотря на большое количество исследований по данной тематике, можно резюмировать, что механизмы деградации ЭГ при СД 1 и 2 типов и диабетических осложнениях на сегодняшний день изучены недостаточно хорошо [10]. Однако в настоящее время участие трех основных факторов (или триггеров) в деструкции ЭГ при СД получило экспериментальную поддержку [11]. Согласно обзору современных научных данных, этими факторами являются: 1) активные формы кислорода (АФК), как проявление оксидативного стресса; 2) конечные продукты гликирования (КПГ) и 3) активация гепараназы (ГПЗ) и гиалуронидазы (ГИЗ) [11]. Помимо хорошо известных триггеров – АФК и КПГ, которые обычно вызывают практически все известные диабетические осложнения, только недавно была раскрыта патофизиологическая роль ГПЗ и ГИЗ в разрушении ЭГ при СД и его осложнениях [12]. Известно, что ГПЗ в основном секретируется макрофагами и эндотелин-активированными подоцитами и, по-видимому, непосредственно вовлечена в процесс деградации ЭГ, приводящий к диабетической нефропатии [13]. Например, было показано, что ингибирование моноцитарного белка-хемоаттрактанта-1 восстанавливает ЭГ в мышиной модели комбинированной диабетической/атеросклеротической нефропатии путем уменьшения экспрессии ГПЗ макрофагами [11].
Другими доклиническими исследованиями было продемонстрировано, что количество ГИЗ в плазме крови, измеряемое ферментативной активностью ex vivo, увеличивается при СД у мышей, крыс и людей [14; 15]. Кроме того, S.Dogné с соавт. показали, что у мышей с СД 2 типа, вызванным стрептозотоцином, у которых отсутствует ГИЗ1, больше толщина ЭГ, и они защищены от выделения ГК, ЭД и микроальбуминурии на ранних стадиях развития СД по сравнению с мышами, которые имели достаточное количество ГИЗ1 [14].
Современные знания указывают на то, что ЭГ разрушается как при острой, так и при хронической гипергликемии, и что истончение ЭГ вследствие гипергликемии способствует нарушению заживления ран у пациентов с СД [16]. По другим данным, у пациентов с СД 1 типа толщина ЭГ была в 2 раза меньше, чем у здоровых добровольцев, а у пациентов с СД, осложненным микроальбуминурией, слой ЭГ был еще тоньше [17]. В том же исследовании у пациентов СД в плазме были отмечены достаточно высокие концентрации ГК и ГИЗ вследствие повышенного слущивания поврежденного ЭГ [17].
Современные методы оценки гликокаликса при сахарном диабете
В настоящее время оценка состояния ЭГ в клинических исследованиях, как правило, основана на двух основных принципах: 1) на количественном определении циркулирующих компонентов ЭГ, таких как СИН-1, гиалуронан (ГИН), ГС и ХС в плазме/сыворотке и моче в качестве индикатора выделения ЭГ, и 2) на видеомикроскопическом изучении ЭГ в сосудах микроциркуляции [18]. Более новые методы видеомикроскопии, включая спектроскопию ортогональной поляризации, визуализацию в темном поле бокового потока и падающем темном поле, позволили визуализировать микроциркуляцию и нарушения ЭГ в исследованиях in vivo как у взрослых, так и у новорожденных и детей [19]. Приводятся данные, что эти видеопоследовательности могут быть использованы для измерения локального микрососудистого состояния, например на основе изменений диаметра сосуда, что может служить диагностическим критерием нарушения ЭГ [20]. Одним из наиболее установленных и валидированных параметров, позволяющих оценить деструкцию ЭГ при СД и его осложнениях, является так называемая перфузируемая пограничная область, напоминающая просветную часть ЭГ, частично доступную для циркулирующих эритроцитов [20]. Косвенные доказательства возможного нарушения ЭГ у детей с СД были получены в исследованиях, изучающих гиперемическую реакцию на тепловой стимул [21] или после артериальной окклюзии [22; 23] и последовательно демонстрирующих ЭД с нарушением кровотока.
Основной метод, позволяющий оценить деструкцию ЭГ при СД, используемый в клинике – это иммуноферментный анализ, с помощью которого проводят детекцию составных компонентов ЭГ в крови, что дает возможность судить о степени дестабилизации и «сшелушивания» ЭГ [24]. Современными исследованиями показано, что при деструкции ЭГ происходит не только высвобождение самих структурных компонентов ЭГ (СИН, ГИН, ГС, эндокана и др.), но и увеличение в крови концентрации адсорбированных на нем функциональных молекул (ангиопоэтина-1,2, тромбомодулина, селектина и др.) [25; 26].
Маркеры деструкции гликокаликса при сахарном диабете
Синдеканы
В настоящее время известны четыре основные СИН млекопитающих, а именно: СИН-1-4, которые кодировались различными генами [27].СИН-1, также известный как CD138, является наиболее широко изученным представителем семейства СИН [27]. Считается, что именно СИН-1 участвует в процессах роста клеток, дифференцировки, адгезии, заживления ран и воспаления [27]. Все больше доказательств указывает на тот факт, что СИН-1 действует как отрицательный модулятор лейкоцитарно–эндотелиальных взаимодействий [27].
Показано, что уровень СИН-1, циркулирующего в кровотоке, зависит от степени эндотелиального повреждения и деструкции ЭГ, а также коррелирует с уровнями воспалительных цитокинов [28]. Совсем недавно ГК и СИН-1 были предложены в качестве специфически плазменных маркеров деструкции ЭГ при СД [17]. Установлено, что уровни СИН-1 в плазме повышаются у пациентов с СД 2 типа [29] и у пациентов с СД 1 типа с диабетической нефропатией параллельно с микроальбуминурией [30]. На крысиной модели хронического заболевания почек повышенные уровни СИН-1 в плазме сочетаются со значительным уменьшением толщины ЭГ, что измеряется с помощью атомно-силовой микроскопии [31]. Стимуляция высоким содержанием глюкозы вызвала значительную потерю СИН-1 в ЭК сосудов кишечника (50 мМ среды с высоким содержанием глюкозы) [32] и ЭК вен человека (25 мМ среды с высоким содержанием глюкозы) [33], но не изменила уровни СИН-1 в ЭК аорты крупного рогатого скота [34]. Однако Qiu с соавт. предположили, что потеря СИН-1 и глипикана-1 в ЭК клубочков почек человека, обработанных средой с высоким содержанием глюкозы (30 мМ), указывает на то, что для индуцирования потери СИН-1 и глипикана-1 в клубочковых ЭК требуются более высокие уровни глюкозы [33].
Гликозоаминогликаны
Изменения концентрации ГАГ в крови у пациентов с СД были зарегистрированы еще в 1973 году: было обнаружено, что уровни ГК в плазме положительно коррелируют с уровнями гликированного гемоглобина [35]. Действительно, во время острой гипергликемии у пациентов с СД 1 типа толщина ЭГ уменьшалась на 50-80%, а концентрация ГК в плазме увеличивалась на 30-80% [36]. Это выделение ГК было напрямую связано с повышенной проницаемостью сосудов и альбуминурией, сверхактивированной коагуляцией и сниженной вазодилатацией [36]. Уменьшение слоя ЭГ в сочетании с повышенной концентрацией ГК в плазме крови также наблюдается у пациентов с СД 2 типа [37] и на моделях СД 1 типа у грызунов [37]. Кроме того, у мышей с дефицитом ГИЗ-1 необычное увеличение толщины ЭГ в сочетании со снижением выделения ГК приводит к защите функции эндотелия и клубочкового барьера при формирующемся СД [38]. Ткань почек человека продемонстрировала прогрессирующую потерю эндотелиальной ГК с формированием диабетического нефропатического поражения, что сопровождалось снижением концентраций других компонентов ЭГ на поверхности эндотелия [39]. Эндотелиально-специфическое удаление ГК сопровождалось дестабилизацией сосудов, характеризующейся вздутием капилляров, мезангиолизом и потерей эндотелиальных отверстий [39]. Это приводило к альбуминурии и вторичному гломерулосклерозу – диагностическим признакам диабетического поражения почек [40].
По другим данным, ЭК аорты свиньи, культивированные в среде с высоким содержанием глюкозы (30 мМ), демонстрировали значительное снижение общего уровня ГАГ по сравнению с клетками, выращенными в среде с нормальной глюкозой (5 мМ) [41]. Обработка ЭК аорты крупного рогатого скота и человека, ЭК микрососудов головного мозга человека, микроэндотелиальных клеток кожи человека и клубочковых ЭК человека средой с высоким содержанием глюкозы (25-30 мм) привела к значительной потере ГС [41]. Влияние гипергликемии на ГС проявляется уже в первые 24 ч лечения и сохраняется до 2 недель наблюдения [42; 43]. Singh с соавт. продемонстрировали отсутствие изменений в уровнях глипикана-1 в клубочковых ЭК человека, обработанных средой с высоким содержанием глюкозы (25 мМ) [44].
Ангиопоэтины
Ангиопоэтины (АНГ) можно определить как факторы роста, которые контролируют развитие, восстановление и стабильность кровеносных сосудов [44]. Существует 4 различных ангиопоэтина, но двумя наиболее тщательно изученными изоформами являются АНГ1 и АНГ2 [44]. Это гликопротеины с молекулярной массой 70 кДа для АНГ1 и 57 кДа для АНГ2 [44]. Оба могут быть обнаружены в виде димеров, тримеров и тетрамеров, но АНГ1 также собирается в мультимеры более высокого порядка через свой N-концевой домен суперкластерации [44]. АНГ1 преимущественно вырабатывается и секретируется некоторыми перицитами и тромбоцитами, в то время как АНГ2 вырабатывается и сохраняется ЭК в тельцах Вейбеля–Паладе до его высвобождения в кровоток [44]. Экспрессия АНГ2 увеличивается в ответ на стимуляцию фактором роста эндотелия сосудов или во время воспаления, в ответ на воспалительные цитокины [45]. Он также активируется при гипоксии, гипергликемии и окислительном стрессе[45].
АНГ являются новым, недавно признанным классом сосудистых факторов роста, играющих существенную роль в воспалительном процессе, в том числе при диабетических осложнениях [45]. Известно, что АНГ-1 повышает структурную стабильность кровеносных сосудов, тогда как АНГ-2 вызывает дестабилизацию и увеличивает сосудистую проницаемость [45]. Нарушение регуляции АНГ было связано с диабетической ретинопатией, поскольку АНГ регулируют проницаемость гематоретинального барьера и функцию перицитов сетчатки [45]. Повышенные концентрации АНГ2 часто обнаруживаются в стекловидном теле пациентов с пролиферативной диабетической ретинопатией и диабетическим макулярным отеком [46]. Увеличение уровней АНГ2 в стекловидном теле, по-видимому, специфично для активной диабетической ретинопатии, они не только в 15 раз выше, чем у добровольцев без СД, но и примерно в 8 раз выше, чем у пациентов с неактивной диабетической ретинопатией [46].
Эндоканы
Эндокан является еще одним белком основы ЭГ и может выделяться из него при воздействии IL-1 и TNF-a [47]. Он представляет собой растворимый эндотелиальный протеогликан, который, как известно, высвобождается во время воспалительной реакции [47]. Эндокан регулирует активацию эндотелия, проницаемость и пролиферацию [47]. Поскольку эндокан влияет на воспалительные и васкулопротекторные сигналы, он может быть эффективен при атеросклерозе и является маркером эндотелиальной дисфункции, в том числе и при СД [48]. Сообщалось, что уровни эндокана были выше у пациентов с повреждением эндотелия и неоваскуляризацией, тогда как нормальные уровни обнаружены у пациентов с функционирующей эндотелиальной тканью, что может иметь важное значение при диагностике ЭД при СД [48].
Заключение
Деструкция ЭГ на фоне СД может иметь важную диагностическую роль при ЭД. Несмотря на сложность оценки нарушения ЭГ при диабетических осложнениях, на сегодняшний день существуют специфические маркеры повреждения ЭГ, которые можно отследить в биологических средах, такие как синдеканы, эндоканы, гликозоаминогликаны и ангиопоэтины. Данные маркеры деструкции ЭГ могут указывать на наличие различных осложнений СД (ретинопатия, нейфропатия, невропатия). Включение описанных маркеров в диагностический арсенал при СД позволит улучшить профилактику и лечение диабетических осложнений и, возможно, снизить их риск возникновения по ходу данного заболевания.